関数 $f(x_1, x_2, x_3) = e^{x_1} \sin x_2 \cos x_3$ に対して、点 $c = (\frac{\pi}{3}, \frac{\pi}{4}, 0)$ におけるテイラー展開を考えます。$h = (h_1, h_2, h_3)$ とします。以下の2つの量を計算します。 (1) $\sum_{\alpha \in \mathbb{Z}^3_+, |\alpha| = 1} \frac{1}{\alpha!} \partial^{\alpha} f(c) h^{\alpha}$ (2) $\sum_{\alpha \in \mathbb{Z}^3_+, |\alpha| = 2} \frac{1}{\alpha!} \partial^{\alpha} f(c) h^{\alpha}$

解析学多変数関数テイラー展開偏微分
2025/7/2

1. 問題の内容

関数 f(x1,x2,x3)=ex1sinx2cosx3f(x_1, x_2, x_3) = e^{x_1} \sin x_2 \cos x_3 に対して、点 c=(π3,π4,0)c = (\frac{\pi}{3}, \frac{\pi}{4}, 0) におけるテイラー展開を考えます。h=(h1,h2,h3)h = (h_1, h_2, h_3) とします。以下の2つの量を計算します。
(1) αZ+3,α=11α!αf(c)hα\sum_{\alpha \in \mathbb{Z}^3_+, |\alpha| = 1} \frac{1}{\alpha!} \partial^{\alpha} f(c) h^{\alpha}
(2) αZ+3,α=21α!αf(c)hα\sum_{\alpha \in \mathbb{Z}^3_+, |\alpha| = 2} \frac{1}{\alpha!} \partial^{\alpha} f(c) h^{\alpha}

2. 解き方の手順

(1) α=1|\alpha| = 1 のとき、α\alpha(1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0), (0,0,1)(0,0,1) のいずれかです。したがって、
αZ+3,α=11α!αf(c)hα=fx1(c)h1+fx2(c)h2+fx3(c)h3\sum_{\alpha \in \mathbb{Z}^3_+, |\alpha| = 1} \frac{1}{\alpha!} \partial^{\alpha} f(c) h^{\alpha} = \frac{\partial f}{\partial x_1}(c) h_1 + \frac{\partial f}{\partial x_2}(c) h_2 + \frac{\partial f}{\partial x_3}(c) h_3
まず偏微分を計算します。
fx1=ex1sinx2cosx3\frac{\partial f}{\partial x_1} = e^{x_1} \sin x_2 \cos x_3
fx2=ex1cosx2cosx3\frac{\partial f}{\partial x_2} = e^{x_1} \cos x_2 \cos x_3
fx3=ex1sinx2sinx3\frac{\partial f}{\partial x_3} = -e^{x_1} \sin x_2 \sin x_3
次に c=(π3,π4,0)c = (\frac{\pi}{3}, \frac{\pi}{4}, 0) での値を計算します。
fx1(c)=eπ3sinπ4cos0=eπ3221=22eπ3\frac{\partial f}{\partial x_1}(c) = e^{\frac{\pi}{3}} \sin \frac{\pi}{4} \cos 0 = e^{\frac{\pi}{3}} \frac{\sqrt{2}}{2} \cdot 1 = \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}}
fx2(c)=eπ3cosπ4cos0=eπ3221=22eπ3\frac{\partial f}{\partial x_2}(c) = e^{\frac{\pi}{3}} \cos \frac{\pi}{4} \cos 0 = e^{\frac{\pi}{3}} \frac{\sqrt{2}}{2} \cdot 1 = \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}}
fx3(c)=eπ3sinπ4sin0=eπ3220=0\frac{\partial f}{\partial x_3}(c) = -e^{\frac{\pi}{3}} \sin \frac{\pi}{4} \sin 0 = -e^{\frac{\pi}{3}} \frac{\sqrt{2}}{2} \cdot 0 = 0
したがって、
αZ+3,α=11α!αf(c)hα=22eπ3h1+22eπ3h2+0h3=22eπ3(h1+h2)\sum_{\alpha \in \mathbb{Z}^3_+, |\alpha| = 1} \frac{1}{\alpha!} \partial^{\alpha} f(c) h^{\alpha} = \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}} h_1 + \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}} h_2 + 0 \cdot h_3 = \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}} (h_1 + h_2)
(2) α=2|\alpha| = 2 のとき、α\alpha(2,0,0)(2,0,0), (0,2,0)(0,2,0), (0,0,2)(0,0,2), (1,1,0)(1,1,0), (1,0,1)(1,0,1), (0,1,1)(0,1,1) のいずれかです。したがって、
αZ+3,α=21α!αf(c)hα=122fx12(c)h12+122fx22(c)h22+122fx32(c)h32+2fx1x2(c)h1h2+2fx1x3(c)h1h3+2fx2x3(c)h2h3\sum_{\alpha \in \mathbb{Z}^3_+, |\alpha| = 2} \frac{1}{\alpha!} \partial^{\alpha} f(c) h^{\alpha} = \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f}{\partial x_1^2}(c) h_1^2 + \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f}{\partial x_2^2}(c) h_2^2 + \frac{1}{2} \frac{\partial^2 f}{\partial x_3^2}(c) h_3^2 + \frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_2}(c) h_1 h_2 + \frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_3}(c) h_1 h_3 + \frac{\partial^2 f}{\partial x_2 \partial x_3}(c) h_2 h_3
まず2階偏微分を計算します。
2fx12=ex1sinx2cosx3\frac{\partial^2 f}{\partial x_1^2} = e^{x_1} \sin x_2 \cos x_3
2fx22=ex1sinx2cosx3\frac{\partial^2 f}{\partial x_2^2} = -e^{x_1} \sin x_2 \cos x_3
2fx32=ex1sinx2cosx3\frac{\partial^2 f}{\partial x_3^2} = -e^{x_1} \sin x_2 \cos x_3
2fx1x2=ex1cosx2cosx3\frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_2} = e^{x_1} \cos x_2 \cos x_3
2fx1x3=ex1sinx2sinx3\frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_3} = -e^{x_1} \sin x_2 \sin x_3
2fx2x3=ex1cosx2sinx3\frac{\partial^2 f}{\partial x_2 \partial x_3} = -e^{x_1} \cos x_2 \sin x_3
次に c=(π3,π4,0)c = (\frac{\pi}{3}, \frac{\pi}{4}, 0) での値を計算します。
2fx12(c)=eπ3sinπ4cos0=22eπ3\frac{\partial^2 f}{\partial x_1^2}(c) = e^{\frac{\pi}{3}} \sin \frac{\pi}{4} \cos 0 = \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}}
2fx22(c)=eπ3sinπ4cos0=22eπ3\frac{\partial^2 f}{\partial x_2^2}(c) = -e^{\frac{\pi}{3}} \sin \frac{\pi}{4} \cos 0 = -\frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}}
2fx32(c)=eπ3sinπ4cos0=22eπ3\frac{\partial^2 f}{\partial x_3^2}(c) = -e^{\frac{\pi}{3}} \sin \frac{\pi}{4} \cos 0 = -\frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}}
2fx1x2(c)=eπ3cosπ4cos0=22eπ3\frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_2}(c) = e^{\frac{\pi}{3}} \cos \frac{\pi}{4} \cos 0 = \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}}
2fx1x3(c)=eπ3sinπ4sin0=0\frac{\partial^2 f}{\partial x_1 \partial x_3}(c) = -e^{\frac{\pi}{3}} \sin \frac{\pi}{4} \sin 0 = 0
2fx2x3(c)=eπ3cosπ4sin0=0\frac{\partial^2 f}{\partial x_2 \partial x_3}(c) = -e^{\frac{\pi}{3}} \cos \frac{\pi}{4} \sin 0 = 0
したがって、
αZ+3,α=21α!αf(c)hα=1222eπ3h121222eπ3h221222eπ3h32+22eπ3h1h2+0+0=24eπ3(h12h22h32+2h1h2)\sum_{\alpha \in \mathbb{Z}^3_+, |\alpha| = 2} \frac{1}{\alpha!} \partial^{\alpha} f(c) h^{\alpha} = \frac{1}{2} \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}} h_1^2 - \frac{1}{2} \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}} h_2^2 - \frac{1}{2} \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}} h_3^2 + \frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}} h_1 h_2 + 0 + 0 = \frac{\sqrt{2}}{4} e^{\frac{\pi}{3}} (h_1^2 - h_2^2 - h_3^2 + 2 h_1 h_2)

3. 最終的な答え

(1) 22eπ3(h1+h2)\frac{\sqrt{2}}{2} e^{\frac{\pi}{3}} (h_1 + h_2)
(2) 24eπ3(h12h22h32+2h1h2)\frac{\sqrt{2}}{4} e^{\frac{\pi}{3}} (h_1^2 - h_2^2 - h_3^2 + 2 h_1 h_2)

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